大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)3霍爾效應(yīng)

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教案 實(shí)驗(yàn)名稱霍爾效應(yīng)教學(xué)時(shí)數(shù)4學(xué)時(shí)教學(xué)目的和要求1、了解霍爾效應(yīng)原理。2、了解霍爾電勢(shì)差V與霍爾元件工作電流之間的關(guān)系，了解霍爾電勢(shì)差V與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。3、學(xué)習(xí)用“對(duì)稱交換測(cè)量法”消除負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。4、學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的原理和方法。教學(xué)重點(diǎn)1、霍爾效應(yīng)原理。2、對(duì)稱交換測(cè)量法消除負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。3、用霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)的原理和方法。教學(xué)難點(diǎn)1、用霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)的原理和方法。2、霍爾電壓測(cè)量時(shí)產(chǎn)生附加電壓的消除方法教學(xué)內(nèi)容1、真空中載流長(zhǎng)直螺線管內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為。2、 霍爾效應(yīng)一通電薄條在電場(chǎng)垂直方向加一磁場(chǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在電場(chǎng)與磁場(chǎng)都垂直的方向上

2、會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電場(chǎng)。 3 霍爾電壓的測(cè)量 實(shí)際測(cè)量時(shí)所測(cè)的電壓不是，還包括其它因素帶來的附加電壓：（1）不等勢(shì)電壓VO， （2）厄廷豪森效應(yīng)VE，（3）能斯脫效應(yīng)VN， （4）里記勒杜克效應(yīng)VRL，我們可通過改變IS、B的方向的辦法，使在不同的測(cè)量條件下抵消這些因素的影響。教學(xué)方法教師講解教學(xué)內(nèi)容，明確其重點(diǎn)和難點(diǎn)，然后實(shí)際演示操作要點(diǎn)。教學(xué)手段學(xué)生操作，隨堂檢查操作情況。根據(jù)學(xué)生的操作情況將容易犯錯(cuò)的問題做重點(diǎn)提示，學(xué)生可以根據(jù)操作中遇到的具體問題個(gè)別提問。時(shí)間分配第一次課講授30分鐘，學(xué)生操作70分鐘，做霍爾效應(yīng)。第二次課做測(cè)量螺線管磁場(chǎng)部分。板書設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、測(cè)量關(guān)系式、數(shù)據(jù)處理提

3、示。主要參考資料1、楊述武等，普通物理實(shí)驗(yàn)（第四版）M. 北京：高等教育出版社，2007.2、鄭庚興，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M. 上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2004.3、黃水平，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.4、徐揚(yáng)子，丁益民，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M. 北京：科學(xué)出版社，2006.5、李蓉，基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教程M. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2008.實(shí)驗(yàn)名稱：霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解霍爾效應(yīng)原理。2、了解霍爾電勢(shì)差V與霍爾元件工作電流之間的關(guān)系，了解霍爾電勢(shì)差V與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。3、學(xué)習(xí)用“對(duì)稱交換測(cè)量法”消除負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。4、學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的原理和方法。實(shí)

4、驗(yàn)儀器：TH-H霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀 TH-H霍爾效應(yīng)測(cè)試磁場(chǎng)測(cè)試儀實(shí)驗(yàn)原理：一、霍爾效應(yīng)原理若將通有電流的導(dǎo)體置于磁場(chǎng)之中，磁場(chǎng)（沿z軸）垂直于電流（沿x軸）的方向，如圖所示，則在導(dǎo)體中垂直于和的方向上出現(xiàn)一個(gè)橫向電勢(shì)差，這個(gè)現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 ISEH+FB+-zyxACCAbd 這一效應(yīng)對(duì)金屬來說并不顯著，但對(duì)半導(dǎo)體非常顯著。利用霍爾效應(yīng)可以測(cè)定載流子濃度、載流子遷移率等重要參數(shù)，是判斷材料的導(dǎo)電類型和研究半導(dǎo)體材料的重要手段。還可以用霍爾效應(yīng)測(cè)量直流或交流電路中的電流強(qiáng)度和功率，以及把直流電流轉(zhuǎn)成交流電流并對(duì)它進(jìn)行調(diào)制、放大。用霍爾效應(yīng)制作的傳感器廣泛用于磁場(chǎng)、位置、位移、轉(zhuǎn)速的測(cè)量。 霍爾

5、電勢(shì)差產(chǎn)生的本質(zhì)，是當(dāng)電流通過霍爾元件（假設(shè)為型，即導(dǎo)電的載流子是空穴。）時(shí)，空穴有一定的漂移速度v，垂直磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生一個(gè)洛侖茲力 （1）式中為載流子電荷。洛淪茲力使載流子產(chǎn)生橫向的偏轉(zhuǎn)，由于樣品有邊界，所以有些偏轉(zhuǎn)的載流子將在邊界積累起來，產(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)E，直到電場(chǎng)對(duì)載流子的作用力FE=qE與磁場(chǎng)作用的洛淪茲力相抵消為止，即 （2）這時(shí)載流子在樣品中流動(dòng)時(shí)將不偏轉(zhuǎn)地通過霍爾元件，霍爾電勢(shì)差就是由這個(gè)電場(chǎng)建立起來的。如果是型樣品，即導(dǎo)電的載流子是電子，則橫向電場(chǎng)與前者相反，所以型樣品和型樣品的霍爾電勢(shì)差有不同的符號(hào)，據(jù)此可以判斷霍爾元件的導(dǎo)電類型。設(shè)型樣品的載流子濃度為，寬度為，厚度為

6、。通過樣品電流，則空穴的速度，代入（2）式有 （3）上式兩邊各乘以，便得到 （4）霍爾電壓（、之間電壓）與、的乘積成正比，與霍爾元件的厚度成反比，比例系數(shù)，稱為霍爾系數(shù)。它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。 （5）在應(yīng)用中一般寫成 （6）比例系數(shù)，稱為霍爾元件靈敏度，單位為mV/(mA·T)。一般要求愈大愈好。與載流子濃度成反比，半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度遠(yuǎn)比金屬載流子濃度小，所以選用半導(dǎo)體材料作為霍爾元件。與片厚成反比，所以霍爾元件都做的很薄，一般只有0.2mm厚。由（4）式可以看出，知道了磁感應(yīng)強(qiáng)度，只要分別測(cè)出傳導(dǎo)電流及霍爾電勢(shì)差，就可算出霍爾系數(shù)和霍爾元件靈敏度。二、由確定以下參數(shù)（

7、1）由的符號(hào)（或霍爾電壓的正負(fù)）判斷樣品的導(dǎo)電類型。判斷的方法是按圖所示的和的方向，若測(cè)得的>0,（即電流流入端電勢(shì)高于流出端的電勢(shì)），則為正，樣品屬型，反之則為型。（2） 由求載流子濃度，即。應(yīng)該指出，這個(gè)關(guān)系是假定所有載流子都具有相同的漂移速度得到的（嚴(yán)格一點(diǎn)，應(yīng)考慮載流子的速度統(tǒng)計(jì)分布，在若磁場(chǎng)下應(yīng)引入一個(gè)修正因子）。（3）結(jié)合電導(dǎo)率的測(cè)量，求載流子的遷移率。電導(dǎo)率可以通過圖6-1所示的、（或、）電極進(jìn)行測(cè)量。設(shè)、間的距離為，樣品的橫截面積為，流過樣品的電流為。在零磁場(chǎng)下，若測(cè)得、間的電壓為（ 即），可由下式求得。 （6-7）根據(jù)材料的電導(dǎo)率關(guān)系，即，或者，測(cè)出值即可求。式中為載流

8、子的遷移率，即單位電場(chǎng)下載流子的運(yùn)動(dòng)速度。一般電子的遷移率比空穴遷移率大，所以霍爾元件多采用型材料。三、霍耳元件副效應(yīng)的影響及其消除1霍耳元件的副效應(yīng)在研究固體導(dǎo)電過程中，繼霍耳效應(yīng)之后不久又發(fā)現(xiàn)了厄廷豪森（Etinghausen）、能斯特（Nernst）和里紀(jì)勒杜克（Righi-Ledue）效應(yīng)，它們都?xì)w屬于熱磁效應(yīng)。 （1）厄廷豪森效應(yīng)1887年厄廷豪森發(fā)現(xiàn)，由于載流子的速度不相等，它們?cè)诖艌?chǎng)的作用下，速度大的受到洛侖茲力大，繞大圓軌道運(yùn)動(dòng)；速度小的則繞小圓軌道運(yùn)動(dòng)，這樣導(dǎo)致霍耳元件的一端較另一端具有較多的能量而形成一個(gè)橫向的溫度梯度。因而產(chǎn)生溫差電效應(yīng)，形成電勢(shì)差，記為。其方向決定于和磁

9、場(chǎng)B的方向，并可判斷與始終同向（2）能斯特效應(yīng)由于輸入電流端引線的焊接點(diǎn)a、b處的電阻不相等，通電后發(fā)熱程度不同，使a和b兩端之間存在溫度差，于是在a和b之間出現(xiàn)熱擴(kuò)散電流。在磁場(chǎng)的作用下，在c、e兩端出現(xiàn)了橫向電場(chǎng)，由此產(chǎn)生附加電勢(shì)差，記為。其方向與無關(guān)，只隨磁場(chǎng)方向而變。（3）里紀(jì)勒杜克效應(yīng)由于熱擴(kuò)散電流的載流子的遷移率不同，類似于厄廷豪森效應(yīng)中載流子速度不同一樣，也將形成一個(gè)橫向的溫度梯度，以產(chǎn)生附加電勢(shì)差，記為。其方向只與磁場(chǎng)方向有關(guān)，且與同向。2不等勢(shì)電勢(shì)差 不等勢(shì)電勢(shì)差是由于霍耳元件的材料本身不均勻，以及電壓輸入端引線在制作時(shí)不可能絕對(duì)對(duì)稱地焊接在霍耳片的兩側(cè)所引起的，如圖所示。因

10、此，當(dāng)電流流過霍耳元件時(shí)，在電極3、4之間也具有電勢(shì)差，記為，其方向只隨方向不同而改變，與磁場(chǎng)方向無關(guān)。3副效應(yīng)的消除根據(jù)以上副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理和特點(diǎn)，除外，其余的都可利用異號(hào)法消除其影響，因 圖2 能斯特效應(yīng) 圖3 不等勢(shì)電勢(shì)差而需要分別改變和B的方向，測(cè)量四組不同的電勢(shì)差，然后作適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，而得到。取、測(cè)得取、測(cè)得取、測(cè)得取、測(cè)得消去、和得因，一般可忽略不計(jì)，所以 （7）本實(shí)驗(yàn)要利用霍爾效應(yīng)測(cè)量長(zhǎng)直螺線管軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 掌握儀器性能，連接測(cè)試儀與實(shí)驗(yàn)儀各組之間的連線（1）開關(guān)機(jī)前，測(cè)試儀的“IS調(diào)節(jié)”和“IM調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位（即逆時(shí)針旋到底）。（2）連接測(cè)試儀和實(shí)驗(yàn)儀之間各組的連線。2、繪VHIS曲線將測(cè)試儀的“功能切換”置VH，取IM=0.600A，分別取IS=0.50,1.00,1.50，2.00,2.50,3.00mA，依次測(cè)量+IS, +B；+IS,B；IS,B；IS, +B相應(yīng)的VH,值。 3、測(cè)繪VHIM曲線保持IS值不變（取IS=2. 00mA），分別取IM=0.100,0.200，0.300，0.400,0.500，0.600A，依次測(cè)量+IS, +B；+IS,B；I